Hugo Guilherme Maestri
DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÔNOMO PARA ALIMENTAÇÃO DE UM DISPOSITIVO DE
MONITORAMENTO DE PARÂMETROS ELÉTRICOS EM LINHAS DE TRANSMISSÃO
Trabalho de Conclusão de Curso submetido ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Mauro Augusto da Rosa
Coorientador: MEng. Gabriel Bolacell
Florianópolis 2018
Este trabalho é dedicado aos meus pais, minha namorada Mariana, familiares e amigos.
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais por todo o apoio, incentivo e conselhos dados durante todos esses anos. Agradeço a minha namorada Mariana pelo apoio, paciência, amor e persistência demonstrado. Sem dúvidas que sem o apoio de vocês, não seria possível chegar até aqui.
Agradeço também ao meu orientador Prof. Mauro Augusto da Rosa e ao Gabriel Bolacell por todo o tempo a mim dedicado, por todos os ensinamentos transmitidos, pela confiança e principalmente pela oportunidade de participar deste projeto.
A todos os professores do curso de engenharia elétrica que possibilitaram o conhecimento para chegar até aqui e abriram um grande leque de áreas a serem estudadas.
Agradeço a todos meus amigos que fiz durante a graduação, em especial ao Gustavo e ao Márcio pela ajuda e conselhos. À equipe Ampera e todos os seus membros por me permitir trabalhar com pessoas tão excepcionais e me fazer crescer muito profissionalmente.
E minha sincera gratidão a empresa Rakia que possibilitou meu contato com a área de energia fotovoltaica e por todo o apoio dado durante o meu estágio e a realização deste trabalho.
“When something is important enough, you do it even if the odds are not in your favor.”
RESUMO
Este trabalho visa o dimensionamento dos componentes de um sistema fotovoltaico autônomo. Para tanto, estuda-se os sistemas de energia solar fotovoltaica, focando nos sistemas autônomos. Além disso, também é feita uma análise dos principais componentes do sistema projetado, de modo a gerar o embasamento necessário para dimensionar o projeto. A fim de complementar o trabalho e acrescentar informações ao projeto global no qual este trabalho faz parte, é realizada uma comparação de dois sistemas fotovoltaicos autônomos que já estão em operação. Por fim, após obtidos os devidos conhecimentos teóricos e entendido as adversidades encontradas nos protótipos em operação, dimensiona-se o sistema fotovoltaico autônomo em questão. Esse dimensionamento consiste na especificação do módulo fotovoltaico utilizado e sua forma de conexão, da capacidade do banco de baterias, dos parâmetros principais do controlador de carga, do cabeamento e das proteções.
Palavras-chave: Energia solar fotovoltaica. Sistema fotovoltaico autônomo. Bateria lítio-íon.
ABSTRACT
This work aims to sizing the components of a standalone photovoltaic system. Therefore, a study of photovoltaics solar system focusing on the autonomous systems is made. Furthermore, an analysis of the main components of the designed system is devised in order to establish the necessary base to size the project. For the purpose to complement the work and aggregate more information to the project, it is done a comparison between two autonomous photovoltaics systems that is already in operation. Finally, after have obtained the theoretical knowledge and have understood the adversities found in the prototypes in operation, the standalone photovoltaic system in question is sized. This design consists of the photovoltaic module’s specification and its connection type, specification of the battery bank capacity, main parameters of the charge controller, wire size and electrical protections. Keywords: Photovoltaic solar energy. Standalone solar system. Lithium-ion battery.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Projeção do consumo de energia e matriz energética mundial.
... 27
Figura 2. Projeção do consumo de energia elétrica até 2030. ... 28
Figura 3. Matriz energética brasileira ... 29
Figura 4. Intercâmbio de energia elétrica entre as regiões do SIN em 2016. (MW médio) ... 30
Figura 5. Composição do espectro da radiação solar. ... 34
Figura 6. Espectro eletromagnético da radiação solar. ... 34
Figura 7. Movimentos de translação e rotação da Terra... 35
Figura 8. Perfil de irradiância solar com diferentes condições climáticas e valores equivalentes em Horas Sol Pico - HSP. ... 36
Figura 9. Representação dos ângulos zenital e azimutal ao longo da trajetória solar. ... 37
Figura 10. Componentes da irradiância solar. ... 37
Figura 11. Engenheiro da Bell Labs testando uma célula solar em 1954. ... 39
Figura 12. Junção P-N. ... 41
Figura 13. Efeito fotovoltaico em um semicondutor. ... 41
Figura 14. Classificação dos sistemas fotovoltaicos. ... 42
Figura 15. Ilustração de um SFCR. ... 42
Figura 16. Sistema fotovoltaico off-grid com armazenamento. ... 44
Figura 17. Sistema fotovoltaico off-grid sem armazenamento. ... 44
Figura 18. Sistema fotovoltaico off-grid híbrido. ... 45
Figura 19. Sistema fotovoltaico híbrido. ... 46
Figura 20. Componentes de uma célula fotovoltaica. ... 46
Figura 21. Célula fotovoltaica de silício monocristalino. ... 47
Figura 22. Célula fotovoltaica de silício policristalino ... 48
Figura 23. Composição de um módulo fotovoltaico. ... 50
Figura 24. Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica. ... 50
Figura 25. Curva I-V característica de um módulo fotovoltaico. ... 51
Figura 26. Curva P-V de um módulo fotovoltaico. ... 51
Figura 27. Influência da irradiância na curva I-V de um módulo fotovoltaico de 36 células. ... 51
Figura 28. Influência da temperatura na curva I-V de um módulo fotovoltaico de 36 células. ... 52
Figura 29. Comparação de curvas I-V de 4 módulos em série. ... 53
Figura 30. Exemplos de associações de módulos fotovoltaicos e suas respectivas curvas I-V. ... 54
Figura 32. Controlador de carga do tipo ON-OFF paralelo. ... 56
Figura 33. Controlador de carga MPPT. ... 57
Figura 34. Capacidade de uma bateria de lítio-íon em função do número de ciclos e tensão final de carregamento. ... 59
Figura 35. Capacidade de uma bateria de lítio-íon em função do número de ciclos e diferentes estados de carga. ... 59
Figura 36. Capacidade de energia disponível de acordo com a taxa de descarga. ... 60
Figura 37. Eficiência de carga e descarga para uma bateria de lítio-íon. ... 60
Figura 38. Gráfico aranha hexagonal da bateria LiCoO2. ... 61
Figura 39. Gráfico aranha hexagonal da bateria LiMn2O4. ... 62
Figura 40. Gráfico aranha hexagonal da bateria LiNiMnCoO2. ... 62
Figura 41. Gráfico aranha hexagonal da bateria LiFePO4... 63
Figura 42. Gráfico aranha hexagonal da bateria LiNiCoAlO2. ... 64
Figura 43. Diagrama de blocos simplificado do sistema fotovoltaico implementado. ... 68
Figura 44. Processo de carga CC-CV. ... 69
Figura 45. Sistema fotovoltaico autônomo instalado na UFMA e UFSC. ... 70
Figura 46. Corrente consumida pela carga no sistema da UFMA e da UFSC. ... 71
Figura 47. Corrente da geração fotovoltaica no sistema da UFMA e da UFSC. ... 72
Figura 48. Potência consumida pela carga no sistema da UFMA e da UFSC. ... 72
Figura 49. Potência da geração fotovoltaica no sistema da UFMA e da UFSC. ... 73
Figura 50. Tensão de saída do banco de baterias do sistema da UFMA e da UFSC. ... 73
Figura 51. Média diária de irradiação global horizontal durante 12 meses em Maranhão e em Florianópolis. ... 75
Figura 52. Comparação da irradiação global horizontal e inclinada, em um plano a 40º, na cidade de Lages. ... 78
Figura 53. Média de geração diária de energia utilizando 4 módulos de 95 W. ... 82
Figura 54. Diagrama de blocos do sistema fotovoltaico autônomo dimensionado. ... 82
Figura 55. Diagrama unifilar do sistema fotovoltaico autônomo dimensionado. ... 90
Figura 57. Capacidade de condução de corrente para diferentes bitolas de cabo EPR e diferentes métodos de instalação. ... 100 Figura 58. Seção transversal mínima para cabeamento em função de sua utilização. ... 101
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Comparação da eficiência das células fotovoltaicas. ... 49
Tabela 2. Ciclo de vida em função da profundidade de descarga. ... 58
Tabela 3. Ciclo de vida e energia disponível em função da tensão de carregamento. ... 59
Tabela 4. Principais parâmetros da bateria LiCoO2. ... 61
Tabela 5. Principais parâmetros da bateria LiMn2O4 ... 62
Tabela 6. Principais parâmetros da bateria LiNiMnCoO2. ... 63
Tabela 7. Principais parâmetros da bateria LiFePO4. ... 64
Tabela 8. Principais parâmetros da bateria LiNiCoAlO2. ... 64
Tabela 9. Parâmetros do protótipo em operação. ... 69
Tabela 10. Parâmetros do banco de baterias. ... 69
Tabela 11. Parâmetros do módulo fotovoltaico. ... 70
Tabela 12. Ângulo de inclinação recomendado do módulo fotovoltaico de acordo com a latitude. ... 77
Tabela 13. Principais características dos 4 módulos fotovoltaicos analisados. ... 80
Tabela 14. Energia diária média gerada por cada módulo fotovoltaico analisado. ... 80
Tabela 15. Quantidade de módulos fotovoltaicos necessária. ... 81
Tabela 16.Tensões máximas e mínimas dos módulos fotovoltaicos. .... 81
Tabela 17. Capacidade do banco de baterias em função da quantidade de dias de autonomia. ... 84
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS SIN Sistema Interligado Nacional
MME Ministério de Minas e Energia EPE Empresa de Pesquisa Energética
ANEEL Agência Nacional de Engenharia Elétrica HSP Horas sol pleno
PV Photovoltaic
UV Ultravioleta IR Infravermelho UC Unidade consumidora
SFCR Sistema fotovoltaico conectado à rede CC Corrente contínua
CA Corrente alternada
BMS Battery management system
DoD Depth of discharge
SoC State of charge
DPS Dispositivo de proteção contra surto UFMA Universidade Federal do Maranhão UFSC Universidade Federal de Santa Catarina CC-CV Constant current – constant voltage STC Standard test conditions
PWM Pulse Width Modulation
LISTA DE SÍMBOLOS
E Energia [J]
h Constante de Plank-Einstein [J.s]
f Frequência [Hz]
c Velocidade da luz no vácuo [m/s]
λ Comprimento de onda [m]
γ rays Raios gama
δ Declinação solar [º]
θz Ângulo zenital [º] θa Ângulo azimutal [º]
G0 Irradiância extraterrestre [W/m²] Gdif Irradiância difusa horizontal [W/m²] Gdir Irradiância direta horizontal [W/m²] G Irradiância global horizontal [W/m²]
Ig Corrente de geração [A]
D Diodo
Pmax Potência máxima [W]
Isc Corrente de curto-circuito [A] Voc Tensão de circuito aberto [V] Id Corrente de diodo [A] Rp Resistência paralelo [Ω]
Ip Corrente na resistência em paralelo [A] Rs Resistência série [Ω]
Ipv Corrente de saída da célula fotovoltaica [A] Vpv Tensão de saída da célula fotovoltaica [V] ΔVoc Variação da tensão de circuito aberto [V] ΔT Variação da temperatura [º]
Vmax Tensão máxima [V]
Voc Tensão de circuito aberto [V]
βVoc Coeficiente de temperatura da tensão de circuito aberto
[V]
Tmax Temperatura máxima [º] Vmin Tensão mínima [V]
Imp Corrente de máxima potência [A] Vmp Tensão de máxima potência [V]
βVmp Coeficiente de temperatura da tensão de máxima potência
[V]
Tmin Temperatura mínima [º]
Wp Watt pico
Vb Tensão da bateria [V]
ηop Eficiência do módulo fotovoltaico para o ponto de
operação
ηPm Eficiência do módulo fotovoltaica para a potência máxima PR Performance ratio [%]
Hinc Irradiação incidente no plano do módulo [kWh/m².dia] EL Energia consumida pela carga [Wh]
PL Potênica da carga [W] h Tempo de uso da carga [h]
Cbb Capacidade do banco de baterias [Ah] Da Dias de autonomia [dias]
ηb Eficiência da carga e descarga da bateria Imax,cabo Máxima corrente suportada pelo cabo [A] Icabo,pv Máxima corrente de geração corrida [A]
Icon,corrigida Corrente de saída corrigida dos controladores em paralelo
[A]
FA Fator de correção devido ao agrupamento
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 27 1.1 OBJETIVOS ... 31 1.1.1 Objetivo Geral ... 31 1.1.2 Objetivos Específicos ... 31 1.2 MOTIVAÇÃO ... 31 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 32 2 RADIAÇÃO SOLAR ... 33 2.1 MOVIMENTOS DA TERRA ... 34 2.2 IRRADIAÇÃO SOLAR... 35 3 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA... 39 3.1 HISTÓRICO ... 39 3.2 EFEITO FOTOVOLTAICO ... 40 3.3 CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ... 41 3.3.1 Sistema fotovoltaico conectado à rede – On grid ... 42 3.3.2 Sistema fotovoltaico desconectado da rede – Off-grid ... 43 3.3.2.1 Sistema off-grid com armazenamento ... 43 3.3.2.2 Sistema off-grid sem armazenamento. ... 44 3.3.2.3 Sistema off-grid híbrido ... 45 3.3.3 Sistema fotovoltaico híbrido ... 45 3.4 COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO ... 46 3.4.1 Células fotovoltaicas... 46 3.4.1.1 Célula de silício monocristalino ... 47 3.4.1.2 Célula de silício policristalino ... 47 3.4.1.3 Filme fino ... 48 3.4.2 Módulo fotovoltaico ... 48 3.4.3 Inversor fotovoltaico ... 54 3.4.4 Controlador de carga ... 55 3.4.5 Bateria ... 57
3.4.5.1 Óxido de lítio cobalto (LiCoO2) ... 61 3.4.5.2 Óxido de lítio magnésio (LiMn2O4) ... 61 3.4.5.3 Óxido de lítio níquel magnésio cobalto (LiNiMnCoO2 ou NMC) 62
3.4.5.4 Lítio ferro fosfato (LiFePO4) ... 63 3.4.5.5 Óxido de lítio níquel cobalto alumínio (LiNiCoAlO2 ou NCA)
63
3.4.6 Proteções CC e CA ... 64
4 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA
FOTOVOLTAICO AUTÔNOMO ... 67 4.1 CONTEXTUALIZAÇÃO ... 67 4.2 COMPARATIVO ENTRE OS PROTÓTIPOS ... 68
4.3 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO
AUTÔNOMO ... 76 4.3.1 Dimensionamento do arranjo fotovoltaico ... 76 4.3.2 Dimensionamento do banco de baterias... 83 4.3.3 Dimensionamento do cabeamento e proteções ... 85 5 CONCLUSÃO ... 91 REFERÊNCIAS ... 93 ANEXO A – Datasheet cabo solar ... 99 ANEXO B – Tabela de capacidade de condução de corrente ... 100 ANEXO C – Tabela de seção mínima dos condutores ... 101
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1 INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas, o desenvolvimento tecnológico possibilitou um maior acesso aos equipamentos eletroeletrônicos e também gerou novos usos desses equipamentos. Tal fato ocasionou um aumento na demanda energética, devido ao maior número de equipamentos conectados à rede elétrica e, também ao desenvolvimento do setor industrial. Segundo o U.S. Energy Information Administration – EIA, o consumo de energia global irá aumentar 56% até 2040 e o setor industrial continuará representando a maior parcela desse consumo. Além disso, apesar de todos os investimentos em eficiência energética, o consumo energético mundial aumentou 5,2% em 2016 e, desde de 1990, houve um aumento de aproximadamente, 100%, passando de 10.000 TWh/ano para 21.000 TWh/ano (GLOBAL ENERGY STATISTICAL YEARBOOK, 2017). Apesar desse expressivo aumento da demanda de energia, a principal parcela da matriz energética mundial tende a continuar sendo os combustíveis fósseis. Entretanto vale ressaltar que as fontes renováveis de energia foram as que apresentaram as maiores taxas de crescimento nos últimos 5 anos. Uma compilação dessas informações é apresentada na Figura 1.
Figura 1. Projeção do consumo de energia e matriz energética mundial.
Fonte: U.S. Energy Information Administration (2013).
No Brasil essa tendência de aumento da demanda energética também é observada. Desde 1995 até 2016 houve um aumento de, aproximadamente, 89% do consumo de energia (EPE, 2017). E, de acordo com as projeções do Ministério de Minas e Energia e da Empresa de Pesquisa Energética, estima-se que, até 2030, o consumo energético
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aumente em 70%, considerando o pior cenário econômico, conforme Figura 2.
Figura 2. Projeção do consumo de energia elétrica até 2030.
Fonte: Plano Nacional de Energia 2030 – EPE (2006).
Devido ao potencial hídrico brasileiro, a matriz energética do Brasil é predominada por fontes renováveis, em que a fonte hidráulica é a de maior destaque, de acordo com a Figura 3. Entretanto a construção de novas usinas hidrelétricas está cada vez mais difícil devido aos impactos ambientais e sociais causados pela sua implantação e, também, devido ao esgotamento de regiões com potenciais hídricos de alta capacidade (HINATA, 2016). Além disso, os impactos ambientais causados pela emissão de gases poluentes já atingem escala elevada, portanto utilizar fontes de geração de energia provindas de combustíveis fósseis também não é uma alternativa viável ambientalmente. Dessa forma, fontes alternativas de geração de energia ganham força, com destaque para a energia solar fotovoltaica.
A energia solar fotovoltaica faz uso do efeito fotovoltaico para converter a energia da radiação solar em energia elétrica. A energia solar fotovoltaica apresenta um grande potencial para desenvolvimento, afinal, diariamente, incide sobre a superfície da Terra mais energia vinda do sol do que a demanda total de todos os habitantes do planeta, em todo um ano (RÜTHER, 2004). Ainda segundo Rüther (2004), incide sobre a Terra uma potência solar instantânea de 1,75 x 1017 W. Logo, em, aproximadamente, 12 minutos a energia incidente do sol sobre a Terra é suficiente para atender a demanda energética mundial anual. Além disso, a energia fotovoltaica é uma das fontes menos poluentes, mais silenciosa,
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modular, de pouca manutenção e com possibilidade de instalação próxima à carga (SEGUEL, 2009).
Figura 3. Matriz energética brasileira
Notas: (i) Inclui autoprodução
(ii) Derivados do petróleo: óleo diesel e óleo combustível (iii) Biomassa: Lenha, bagaço de cana e lixívia
(iv) Outras: solar, recuperações, gás de coqueria
Fonte: EPE (2017).
No Brasil, os primeiros sistemas fotovoltaicos foram os autônomos, isto é, que fazem uso de baterias. Esses sistemas foram instalados em locais onde não se tinha acesso ao sistema de distribuição de energia elétrica. E, foi graças a esses sistemas que locais remotos puderem ter acesso à energia elétrica. Apesar de a energia solar possuir uma variabilidade de geração em razão da sua dependência com as condições meteorológicas locais, os índices de radiação incidentes no Brasil favorecem a utilização desse tipo de energia (RÜTHER et al., 2017). Falando em termos qualitativos, o Brasil recebe elevados índices de irradiação solar em relação à países europeus, onde a geração de energia fotovoltaica é largamente disseminada. Em termos quantitativos, essa disponibilidade solar é ainda mais evidente de modo que, a menor irradiação incidente no Brasil é de 1300 MWh/m².ano, enquanto o maior nível de irradiação da Alemanha, país referência em energia solar, é de 1250 MWh/m².dia.
Em 2012, com a Resolução Normativa nº482/2012 foi possível instalar sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica através de um sistema de compensação de energia. Entretanto, por ser um mercado recente, a energia fotovoltaica ainda possui uma contribuição muito
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pequena na matriz energética brasileira, conforme observado na Figura 3. Apesar da baixa representatividade na geração energética brasileira, o setor fotovoltaico apresentou alto crescimento nos últimos anos. Até o final do segundo trimestre de 2017, foi instalado 88,79MWp, totalizando 11.152 unidades consumidoras com geração fotovoltaica (GREENER, 2017). Esses números representam, baseado no mesmo período de 2016, um aumento de 163% em relação a potência instalada e de 158% em relação ao número de unidades consumidoras com geração fotovoltaica (GREENER, 2017).
Com a ascensão da energia fotovoltaica será possível diversificar a forma de geração de energia no Brasil, além de aliviar os esforços das linhas de transmissão através da geração distribuída. Como a geração de energia no Brasil é caracterizada por geração centralizada de grande porte, as linhas de transmissão são fundamentais para levar energia elétrica, a partir das centrais geradoras, ao todo extenso território brasileiro, vide Figura 4. Entretanto, esse transporte de energia possui perdas que, em 2016, chegaram em 19,3% (EPE, 2017). Assim, a geração distribuída, caracterizada pela geração de energia próxima ao consumo, mostra-se como uma excelente alternativa para aliviar o Sistema Interligado Nacional e acrescentar robustez à matriz energética nacional (ZILLES, 2012).
Figura 4. Intercâmbio de energia elétrica entre as regiões do SIN em 2016. (MW médio)
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Dentro do conceito de geração distribuída, existem os sistemas conectados na rede, os autônomos e os híbridos. Este trabalho abordará os sistemas autônomos que, de modo simplificado, são aqueles desconectados da rede de distribuição e o excedente de energia gerada é armazenada em baterias. Esses sistemas tem a vantagem de levar energia elétrica em locais remotos onde não há uma rede de distribuição de energia e de apresentarem baixa necessidade de manutenção.
1.1 OBJETIVOS 1.1.1 Objetivo Geral
Dimensionar um sistema fotovoltaico off-grid autônomo (desconectado da rede), a fim de gerar a energia necessária para alimentar um módulo de comunicação e aquisição de dados em uma torre de linha de transmissão de alta tensão, localizada na região central de Santa Catarina.
1.1.2 Objetivos Específicos
• Compreender a demanda energética da carga a ser alimentada;
• Estudar os componentes presentes em um sistema fotovoltaico;
• Estudar o funcionamento de um sistema fotovoltaico autônomo e de seus componentes;
• Comparar os dados dos protótipos já em operação e propor as devidas melhorias;
• Dimensionar o arranjo fotovoltaico, banco de baterias, cabeamento e proteções necessárias.
1.2 MOTIVAÇÃO
Conforme apresentado na Introdução, a matriz energética mundial é extremamente dependente dos combustíveis fósseis, causando grandes impactos ambientais. Dessa forma, muitas universidades e empresas privadas estão dedicando esforços para contribuir com a evolução das fontes renováveis de energia de baixo impacto ambiental. Dentro dessas fontes renováveis, as de maior destaque são a solar fotovoltaica e a eólica.
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Tendo em vista essa nova tendência mundial de geração de energia e, através de um estágio desenvolvido na área de energia fotovoltaica, foi despertado um interesse de expandir os conhecimentos nessa área. Além disso, com o desejo de elaborar um trabalho que tenha aplicação prática, surgiu a oportunidade de integrar um projeto existente no Laboratório de Planejamento de Sistemas de Energia Elétrica – LabPlan, um laboratório conceituado na Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC. Neste projeto, acima citado, havia a necessidade de projetar um sistema fotovoltaico autônomo para alimentar um módulo de monitoramento de parâmetros elétricos em linhas de transmissão. Portanto, unindo a necessidade do projeto, com o desejo de ampliar os conhecimentos na área fotovoltaica através de um projeto com aplicação, surgiu a ideia de elaborar este trabalho de conclusão de curso.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
A estruturação deste trabalho está fundamentada em quatro capítulos, de modo a apresentar a aplicação do trabalho, bases teóricas que fundamentaram o trabalho e o projeto propriamente dito que é o objeto principal deste trabalho.
O primeiro capítulo, formado pela presente Introdução, tem como objetivo apresentar a necessidade de diversificação da matriz energética mundial, bem como mostrar as projeções de expansão de demanda energética e as novas formas de geração que estão em destaque.
O segundo capítulo aborda, brevemente, as características da radiação solar e como os movimentos da Terra influenciam na radiação que incide no planeta.
No terceiro capítulo far-se-á um estudo mais aprofundado do efeito fotovoltaico, dos tipos de sistemas existentes e dos componentes empregados nesses sistemas.
E, por fim, o quarto capítulo destina-se a apresentar os detalhes do projeto realizado com o total dimensionamento do sistema fotovoltaico autônomo.
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2 RADIAÇÃO SOLAR
A fonte primária de energia na geração fotovoltaica é a radiação solar. Dessa forma, é fundamental compreender os conceitos básicos referente a radiação solar.
A radiação solar é composta de ondas eletromagnéticas cuja energia é dada pela equação de Planck-Einstein, exposta na Equação 1, onde E é a energia em [J], h é a constante de Plank em [J.s] e f é a frequência [Hz]. Portanto, nota-se que a energia é diretamente proporcional à frequência da onda.
𝐸 = ℎ ∙ 𝑓 (1)
Sendo que, a frequência e o comprimento de onda estão relacionados através de uma relação inversamente proporcional, como pode ser verificado na equação 2.
𝑓 =𝑐 𝜆
(2)
Onde, f é a frequência da onda em [Hz], c é a velocidade da luz no vácuo, cujo valor aproximado é 3x108 m/s e λ é o comprimento de onda em [m].
A radiação solar incidente na Terra é formada por um espectro maior que apenas a luz visível, conforme Figura 5. Apenas parte desse espectro contribui significativamente com a energia contida na radiação solar na atmosfera terrestre, pois ao penetrar na atmosfera a radiação solar sofre atenuações e espalhamentos, alternado o espectro eletromagnético, de acordo com a Figura 6. Nesta Figura 6, a curva em azul indica a irradiância incidente no topo da atmosfera e a área em verde é a irradiância, já atenuada, dentro da atmosfera terrestre. Nota-se que alguns comprimentos de onda são totalmente atenuados pela atmosfera e não incidem na superfície terrestre (RÜTHER et al., 2017). A distribuição de energia do espectro de radiação solar depende da localização geográfica, da hora do dia, do dia do ano, das condições climáticas, da composição da atmosfera, da altitude e de outros fatores (VILLALVA, 2015). Portanto, o nível de irradiância em cada local do planeta é diferente.
A radiação solar possui duas características fundamentais que possuem grande influência na geração de energia: intermitência e variabilidade no tempo (VERA, 2004). A intermitência está relacionada com as condições meteorológicas e com o movimento de rotação da
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Terra. Já a variabilidade no tempo é consequência do movimento de translação e da declinação da Terra, que fazem com que a distância da Terra em relação ao Sol varie com o tempo, influenciando a intensidade da irradiação ao longo do ano.
Figura 5. Composição do espectro da radiação solar.
Fonte: L-Tron Corporation (2015).
Figura 6. Espectro eletromagnético da radiação solar.
Fonte: Pereira et al. (2017).
2.1 MOVIMENTOS DA TERRA
A Terra descreve dois movimentos simultâneos em torno do Sol: o movimento de translação e o movimento de rotação, mostrados na Figura 7. O movimento de translação é caracterizado por uma trajetória elíptica em torno do Sol, com duração aproximada de 365 dias. Devido à trajetória
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elíptica, há momentos em que a Terra se encontra mais próxima ou mais distante do Sol, variando a intensidade de radiação solar incidente. O movimento de rotação é caracterizado pela órbita em torno do seu próprio eixo, causando os dias e as noite o que resulta na intermitência da radiação solar em um determinado local. Além disso, o eixo de rotação da Terra é levemente inclinado, de tal forma que o eixo axial da Terra forma um ângulo de 23,45º em relação ao eixo de rotação. Essa inclinação também impacta diretamente na irradiação solar ao longo do ciclo de translação. Figura 7. Movimentos de translação e rotação da Terra.
Fonte: Pinho; Galdino (2014).
2.2 IRRADIAÇÃO SOLAR
A irradiância solar é a potência de radiação solar incidente por unidade de área. Enquanto que, por definição, a irradiação solar é a energia incidente por unidade de área. Em virtude dos movimentos da Terra, a curva de irradiância solar é bem definida em um dia ensolarado, conforme Figura 8. Sendo que a sua intensidade varia conforme as condições climáticas, período do ano e localização. A área abaixo das curvas, hachurada em amarelo, representa a irradiação, ou seja, a energia proveniente da irradiância e, afeta diretamente a geração de energia fotovoltaica.
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Figura 8. Perfil de irradiância solar com diferentes condições climáticas e valores equivalentes em Horas Sol Pico - HSP.
Fonte: Pinho; Galdino (2014).
Tanto no hemisfério sul quanto no hemisfério norte, o ângulo azimutal (ângulo formado entre os raios solares e o norte geográfico) varia de 90º a -90º. Isso implica que ao longo do dia o Sol descreve diferentes ângulo azimutais e, consequentemente, os raios solares seguem essa mesma variação, iniciando sua trajetória no Leste e finalizando no Oeste. Já o ângulo zenital representa o ângulo formado entre o sol e um plano perpendicular ao solo (VILLALVA, 2015) e difere para os dois hemisférios. No hemisfério norte o ângulo zenital varia entre 90º e 180º, ou seja, o Sol tem inclinação para o sul ao longo do ano. E, no hemisfério sul, o ângulo zenital varia entre 0º e 90º, ou seja, o Sol tem inclinação para o norte ao longo do ano. Esses ângulos e suas respectivas variações são observadas na Figura 9.
A radiação solar incidente em uma superfície é dividida em duas parcelas: direta e difusa, conforme Figura 10. A radiação direta corresponde aos raios solares que chegam diretamente do Sol em linha reta e incidem sobre o plano horizontal com uma inclinação que depende do ângulo zenital. Já a radiação difusa é aquela proveniente de todas as direções e que atinge a superfície após sofrer espalhamento pela atmosfera terrestres e objetos próximos (PINHO; GALDINO, 2014). Antes de cruzar a atmosfera, os raios solares são paralelos entre si e atingem a Terra em linha reta. Entretanto, ao cruzar a atmosfera parte desses raios são desviados, constituindo as duas parcelas de radiações expostas acima. A radiação difusa atinge as superfícies de maneira
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aleatória, contudo a radiação direta continua possuindo uma trajetória em linha reta (VILLALVA, 2015). A radiação direta, corresponde a maior parcela da radiação incidente em uma superfície e sua maior irradiância ocorre quando os raios solares atingem a superfície perpendicularmente. Como o ângulo azimutal e zenital do sol variam ao longo do dia e ano, respectivamente, para se ter uma máxima irradiância em uma superfície, esta necessita corrigir esses diferentes ângulos, de modo a garantir que os raios solares a atinjam sempre de maneira perpendicular.
Figura 9. Representação dos ângulos zenital e azimutal ao longo da trajetória solar.
Fonte: Pereira et al. (2017).
Figura 10. Componentes da irradiância solar.
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3 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
Este capítulo, em conjunto com o anterior, possui como objetivo trazer as bases teóricas que fundamentam a geração de energia fotovoltaica. Dessa forma, inicia-se abordando o efeito fotovoltaico, seguido pelos tipos de sistemas fotovoltaicos existentes e por fim comenta-se sobre os componentes utilizados nesses sistemas.
3.1 HISTÓRICO
O fenômeno de conversão fotovoltaica remete ao século XIX, quando alguns cientistas observaram fenômenos físicos que permitiam a conversão da luz em energia elétrica (ZILLES et al., 2017). Em 1839, Alexandre Becquerel, físico e cientista francês, constatou, após a incidência de luz, uma pequena diferença de potencial entre eletrodos de metal imersos em uma solução ácida. Em 1876, W.G Adams e R. E. Day, cientistas ingleses, observaram um efeito similar em um material sólido formado pela junção de selênio e platina. Em 1918, Czochralski desenvolveu um método de fabricação de cristais de silício que são a base para os materiais semicondutores utilizados nas células fotovoltaicas. Em 1950, pesquisadores dos Laboratórios Bell (Bell Labs) conseguiram introduzir impurezas em cristais de silício, tornando-os materiais semicondutores e, constatou-se que esse silício dopado também reagia à luminosidade. Assim, em 1954, o Bell Labs desenvolveu as primeiras células fotovoltaicas utilizando o silício como semicondutor, conforme Figura 11. A eficiência das células na época era de, aproximadamente, 6%.
Figura 11. Engenheiro da Bell Labs testando uma célula solar em 1954.
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3.2 EFEITO FOTOVOLTAICO
O efeito fotovoltaico é um fenômeno físico que permite a transformação direta da radiação solar em energia elétrica. Esse efeito ocorre em materiais com características específicas, como é o caso de alguns materiais semicondutores. Devido a abundância e custo da matéria prima e por ter um processo de fabricação já bastante consolidado, o silício dopado é o material semicondutor mais utilizado nas células fotovoltaicas.
Para tornar o silício um material semicondutor sensível à luz, primeiramente é necessário alterar suas características elétricas. Segundo Zilles (2017) e Villalva (2015), para tornar o silício sensível à luz, o cristal de silício puro é dopado com um material receptor de elétrons, fazendo com que haja uma deficiência de elétrons, chamada de lacunas, e criando uma região de densidade de carga positiva, a região do tipo P. Analogamente, é introduzido um outro material dopante, com característica de doador, possuindo, portanto, excesso de elétrons. Por sua vez, com a introdução desse novo material dopante, cria-se uma região de densidade de carga negativa, conhecida como região do tipo N. E, entre essas duas regiões forma-se a junção P-N. Com estas dopagens, a região tipo N possui um excesso de elétrons e a região tipo P possui um excesso de lacunas. Dessa forma os elétrons da região N tendem a migrar para a região P e as lacunas da região P tendem a migrar para a região N. Quando um elétron ou uma lacuna trocam de região, remanesce um íon positivo na região N e um íon negativo na região P. Esses íons formam um campo elétrico com origem nos íons positivos e término nos íons negativos e com direção oposta à direção original de difusão das cargas. Dessa forma, cria-se uma barreira de potencial entre as duas regiões, levando o material semicondutor a um equilíbrio elétrico. Essa região formada pelos íons e com um campo elétrico é chamada de região de depleção. Tal estado é mostrado, resumidamente na Figura 12.
Ainda segundo Zilles (2017) e Villalva (2015), a região superior do semicondutor é a do tipo N. Essa região permite que a radiação solar atinja a junção P-N e transfira a energia para os elétrons da banda de valência. Se a energia incidente for suficiente para libertar o elétron da sua ligação química, ele passa para a banda de condução e cria-se um par elétron-lacuna. Devido ao campo elétrico na região de depleção, o elétron é atraído para região N e a lacuna para a região P. Dessa forma, fica estabelecido uma diferença de potencial entre cada lado da junção. Portanto, se conectar os terminais de uma carga em cada lado da junção, se estabelece uma corrente elétrica, caracterizando o efeito fotovoltaico,
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em que a energia contida na radiação solar é transformada em energia elétrica. A Figura 13 ilustra o efeito fotovoltaico discutido acima. Figura 12. Junção P-N.
Fonte: Stack Exchange - Physics (2015).
Figura 13. Efeito fotovoltaico em um semicondutor.
Fonte: Vera (2004).
3.3 CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Os sistemas fotovoltaicos dividem-se em três grandes grupos: sistema on-grid (também conhecido como sistema fotovoltaico conectados à rede – SFCR, grid-tie), sistema off-grid (também conhecido como desconectados da rede, isolados) e sistema híbrido, conforme
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Figura 14. Cada grupo e subgrupo será melhor detalhado nas próximas três subseções.
Figura 14. Classificação dos sistemas fotovoltaicos.
Fonte: Autor (2017).
3.3.1 Sistema fotovoltaico conectado à rede – On grid
Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede caracterizam-se por estarem conectados à rede de distribuição da concessionária de energia e torna possível transformar uma unidade consumidora – UC em também uma unidade geradora, conforme Figura 15. Tal modo de operação implica que o gerador fotovoltaico opera em paralelo com a rede pública. Figura 15. Ilustração de um SFCR.
Fonte: Renergy-Solar (2017).
Portanto, quando a geração de energia fotovoltaica for maior que o consumo local, o excedente de energia é injetado na rede e gera-se um crédito de energia para compensar a energia utilizada da rede em momentos em que a geração fotovoltaica não supre toda a demanda da
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carga. Já quando o consumo local for maior que a geração fotovoltaica, parte da energia será provinda do gerador em questão e a outra parcela virá da rede pública. Dessa forma, o consumidor pagará apenas a diferença do que foi consumido e gerado, respeitando as tarifas relacionadas à taxa de disponibilidade de cada UC. Vale ressaltar que, por motivos de segurança de pessoas que estejam fazendo manutenção no sistema de distribuição, quando a UC fica sem energia da rede pública, a geração fotovoltaica é automaticamente cessada.
Para ser possível mensurar a energia injetada e consumida da rede pública, utiliza-se um medidor de energia bidirecional, que contabiliza o fluxo de energia em ambos os sentidos. Essa operação em paralelo com a rede é regulamentada pela Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, através da Resolução Normativa nº 482/2012 e atualizada para a nº 687/2015. Essa resolução divide os geradores distribuídos em duas classes: microgeração distribuída, cuja potência instalada é menor ou igual a 75 kW e minigeração distribuída, cuja potência instalada é superior a 75 kW e inferior a 5 MW.
3.3.2 Sistema fotovoltaico desconectado da rede – Off-grid
Os sistemas fotovoltaicos off-grid são aqueles que não são conectados à rede de distribuição da concessionária de energia da região. Esses sistemas são divididos em três tipos, conforme observado na Figura 14.
3.3.2.1 Sistema off-grid com armazenamento
Também conhecido como sistema autônomo. Esse tipo de sistema tem como fonte de energia somente o sol e permite alimentar cargas tanto em momento em que há geração, como em momentos em que não há geração. Para isso, o excedente de energia gerada é armazenado em baterias, que têm a função de fornecer energia para a carga quando a geração fotovoltaica for insuficiente ou inexistente, como por exemplo à noite, e também de manter a estabilidade no fornecimento de energia. Para preservar a vida útil da bateria e não a deteriorar, em grande parte desses sistemas utiliza-se um controlador de carga que parametriza a energia gerada nos níveis suportados pela bateria. Além disso como a bateria armazena energia em corrente continua, é necessário utilizar um conversor corrente contínua – corrente alternada – CC-CA caso se deseje alimentar cargas em corrente alternada. Uma configuração simplificada desse sistema é mostrada na Figura 16.
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Figura 16. Sistema fotovoltaico off-grid com armazenamento.
Fonte: Albratz (2017).
3.3.2.2 Sistema off-grid sem armazenamento.
Diferentemente dos sistemas fotovoltaicos off-grid com armazenamento, os sistemas sem armazenamento, exposto na Figura 17, só irão funcionar em momentos em que há irradiação solar incidindo nos módulos fotovoltaicos. Além disso, a potência disponível para ser utilizada está intimamente ligada a irradiância solar daquele momento. Dessa forma, no período noturno não há potência disponível para alimentar a carga e em dias de baixa irradiação, a potência disponível será reduzida. Esse tipo de sistema tem um custo inferior ao primeiro caso
off-grid e é muito utilizado em sistemas de bombeamento de água.
Figura 17. Sistema fotovoltaico off-grid sem armazenamento.
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3.3.2.3 Sistema off-grid híbrido
O sistema fotovoltaico off-grid híbrido possui mais de uma forma de geração de energia além da radiação solar, como por exemplo um gerador à diesel, um aerogerador, entre outros. Além disso, a fim de acrescentar robustez ao sistema, ele também pode contar com um banco de baterias para armazenar energia no caso de falta das duas fontes primárias de energia, entretanto isso resulta em um maior custo. E, assim como nos sistemas off-grid com armazenamento, o banco de bateria pode garantir uma potência constante no caso de as fontes primárias serem sensíveis às condições climáticas.
Figura 18. Sistema fotovoltaico off-grid híbrido.
Fonte: Pinho; Galdino (2014).
3.3.3 Sistema fotovoltaico híbrido
O sistema fotovoltaico híbrido, é uma união do SFCR com o sistema off-grid com armazenamento, conforme apresentado na Figura 19. Dessa forma, em momentos em que há sol, a energia gerada é consumida localmente pela carga e o excedente pode ser injetado na rede elétrica ou utilizado para recarregar o banco de baterias. E, quando há uma falta na rede de energia, que faz com que a proteção anti-ilhamento do inversor atue, desconectando a carga da rede, entra um circuito secundário que alimenta parcialmente ou toda a carga, desde que o circuito alimentado esteja isolado da rede pública. Assim sendo, mesmo com o inversor fotovoltaico desligado e a rede de energia da
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concessionaria desenergizada, a carga pode continuar energizada. Esse chaveamento entre sistema on-grid e off-grid é realizado pelos inversores solares híbridos. Entretanto, esses sistemas são menos comuns, pois, assim como os sistemas on-grid, eles impactam diretamente na qualidade e segurança da rede elétrica pública, logo os equipamentos aqui utilizados necessitam possuir certificação do Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia – INMETRO. Como poucos inversores híbridos possuem essa certificação eles são mais improváveis de se encontrar e tem um maior custo.
Figura 19. Sistema fotovoltaico híbrido.
Fonte: Victron Energy (2017).
3.4 COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO 3.4.1 Células fotovoltaicas
A célula fotovoltaica está presente em todos os tipos de sistemas fotovoltaicos e é nela que ocorre o efeito fotovoltaico, transformando a radiação solar em energia elétrica. Em sua superfície há uma grade metálica e na sua base há um plano metálico que são os terminais das células e que permitem que a corrente elétrica flua da célula para a carga, conforme Figura 20.
Figura 20. Componentes de uma célula fotovoltaica.
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Além disso, a célula fotovoltaica também possui uma camada de material antirreflexivo em sua superfície, de modo a diminuir as perdas por reflexão.
Atualmente existem três tecnologias de destaque na fabricação de células fotovoltaicas: silício monocristalino, silício policristalino e filme fino.
3.4.1.1 Célula de silício monocristalino
São produzidas a partir do método de fabricação de Czochralski, que produz um lingote de silício ultrapuro. Esse lingote é fatiado em lâminas de 0,2 mm a 0,3 mm de espessura e posteriormente elas são aparadas de modo a otimizar o espaço ocupado no módulo. Essas lâminas, também chamadas de wafers, são dopadas, com o objetivo de formar o material semicondutor sensível à luz.
As células de silício monocristalino possuem as maiores eficiências de conversão, podendo chegar até 18,5% em células comerciais e 24,7% em testes de laboratório (KAZMERSKI, 1999). Essas células possuem aparência característica, com tom azulado escuro ou preto e formato bem definido, conforme Figura 21.
Figura 21. Célula fotovoltaica de silício monocristalino.
Fonte: Sino Voltaics (2011).
3.4.1.2 Célula de silício policristalino
Esse tipo de célula é produzido a partir do silício purificado que é fundido em blocos, tendo a formação natural de múltiplos cristais, conforme Figura 22. Uma vez solidificado, o bloco é serrado em cubos e, em seguida, fatiado em wafers. A eficiência é ligeiramente inferior ao silício monocristalino, atingindo até 17%, contudo, por ser um processo
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de produção mais simples, o seu custo é inferior ao do monocristalino. É o tipo de célula de maior utilização (MAYCOCK, 2003).
Figura 22. Célula fotovoltaica de silício policristalino
Fonte: Deltavolt (2010). 3.4.1.3 Filme fino
Os filmes finos são uma tecnologia mais recente e são produzidos através de uma deposição de finas camadas de um material semicondutor sobre um substrato rígido ou flexível (VILLALVA, 2015). O custo de produção dos filmes finos é inferior às células de silício cristalino e, possuem eficiência de conversão também inferior. Os filmes finos podem ser de: silício amorfo que possuem eficiência de até 8% e foi a primeira tecnologia desse tipo desenvolvida; silício microcristalino cuja eficiência chega até 8,5%; telureto de cádmio (CdTe) cuja eficiência pode chegar até 9% entretanto são pouco utilizados, pois o cádmio é um material tóxico e o telúrio um material raro; e cobre-índio-gálio-selênio (CIGS) é o tipo de filme filmo mais eficiente, porém tem um custo de produção muito elevado, portanto são pouco utilizados.
Na Tabela 1, apresentam-se dados comparativos dos três tipos de células citadas e resume as suas eficiências.
3.4.2 Módulo fotovoltaico
Um módulo fotovoltaico é a união de várias células fotovoltaicas englobadas por um encapsulamento. Uma célula sozinha tem uma tensão de saída muito baixa, na ordem de 0,6 V. Dessa forma, várias células são conectadas em série de modo a constituir um módulo. Os módulos mais comuns possuem 36, 60 e 72 células conectadas em série, variando suas
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Tabela 1. Comparação da eficiência das células fotovoltaicas. Material da célula
fotovoltaica Eficiência da célula em laboratório célula comercial Eficiência da Silício monocristalino 24,70 % 18,00 % Silício policristalino 19,80 % 16,00 % Silício amorfo 13,00 % 10,50 % Silício microcristalino 19,20 % 9,50 % CdTe 16,40 % 10,00 % CIGS 18,80 % 14,00 %
Fonte: Adaptado de Villalva (2017).
potências de saída de 10 W até 350W. Os módulos fotovoltaicos são constituídos de 8 elementos:
• Moldura de alumínio: fornece estabilidade estrutural; • Vidro temperado de alta transparência: protege as células
contra intempéries;
• Encapsulante: faz a adesão entre o vidro temperado, células e backsheet;
• Células fotovoltaicas: transforma a radiação solar em energia elétrica;
• Bus bar: contatos metálicos que conectam as células entre si até a saída do módulo;
• Backsheet: parte traseira do módulo que protege contra efeitos ambientais;
• Caixa de junção: garante vedação dos contatos elétricos e armazena os diodos de by-pass;
• Cabos e conectores: realizam a condução da corrente para a carga.
Alguns desses elementos são observados na Figura 23.
A célula fotovoltaica possui características específicas que a diferenciam de fontes tradicionais de energia. Portanto, para compreender os parâmetros elétricos de saída de um módulo fotovoltaico, é necessário conhecer o circuito equivalente de uma célula, exposto na Figura 24. A fonte de corrente Ig varia de acordo com a irradiação solar. Observando a
Figura 24 percebe-se que a tensão de saída de um módulo fotovoltaico depende da corrente de saída e da impedância da carga. Essa relação entre tensão e corrente forma a curva característica de um módulo fotovoltaico, chamada de curva I-V, exposta na Figura 25. Nessa curva há três pontos
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importantes: Isc, corrente de curto-circuito, que é a máxima corrente de
saída do módulo; Voc, tensão de circuito aberto, que é a máxima tensão do
módulo; Pmax, potência máxima, que é a máxima potência do módulo,
possuindo um valor de corrente e tensão associados; Vmp, tensão de
máxima potência e Imp, corrente de máxima potência. Além disso para
cada curva I-V do módulo, existe uma curva P-V associada, exposta na Figura 26. Quando a carga é conectada diretamente no módulo fotovoltaico, é a impedância da carga que determinará o ponto de operação do módulo fotovoltaico, nas curvas I-V e P-V.
Figura 23. Composição de um módulo fotovoltaico.
Fonte: EE Publishers (2016).
Figura 24. Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica.
Fonte: Autor (2018).
O desempenho dos módulos fotovoltaicos é dependente da irradiância e da temperatura. A irradiância possui influência sobre a corrente de geração e, quanto maior sua intensidade, maior será a corrente de geração que, por sua vez, é limitada pela corrente de curto-circuito do módulo. A influência que a radiação solar possui na corrente do módulo é demonstrada na Figura 27, nota-se que a tensão de máxima potência é pouca influenciada pelos diferentes níveis de irradiância.
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Figura 25. Curva I-V característica de um módulo fotovoltaico.
Fonte: Adaptado de SolarSES30, 2013.
Figura 26. Curva P-V de um módulo fotovoltaico.
Fonte: Adaptado de SolarSES30, 2013.
Figura 27. Influência da irradiância na curva I-V de um módulo fotovoltaico de 36 células.
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Já a tensão de saída do módulo é influenciada pela temperatura das células, que varia de acordo com a temperatura ambiente e irradiância a qual está submetida. Conforme a temperatura aumenta, a tensão do módulo diminui, conforme exposta na Figura 28. A corrente sofre uma elevação muito pequena que não compensa a perda causada pela queda de tensão (PINHO; GALDINO, 2014).
Figura 28. Influência da temperatura na curva I-V de um módulo fotovoltaico de 36 células.
Fonte: Pinho; Galdino (2014).
Para representar esse efeito de queda de tensão ou aumento de tensão conforme a temperatura, os datasheets dos módulos mostram o valor do coeficiente de variação da tensão de circuito aberto, denominado βVoc. Esse coeficiente também pode ser calculado a partir da Equação 3.
𝛽𝑉𝑜𝑐= Δ𝑉𝑜𝑐
Δ𝑇
(3)
Sendo que ΔVoc é a variação de tensão de circuito aberto em [V] e ΔT é a variação de temperatura da célula em [ºC]. Dessa forma, para
calcular a faixa de operação de tensão de um módulo utiliza-se as Equações 4 e 5.
𝑉𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑜𝑐∙ (1 − (𝛽𝑉𝑜𝑐∙ (25 − 𝑇min))) (4) 𝑉𝑚𝑖𝑛= 𝑉𝑚𝑝∙ (1 − (𝛽𝑉𝑚𝑝∙ (25 − 𝑇𝑚𝑎𝑥))) (5)
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Onde, Voc é a tensão de circuito aberto em [V], βVoc é o coeficiente
de temperatura da tensão de circuito aberto em [%/ºC], Tmin é a
temperatura mínima da célula em [ºC], Vmp é a tensão de máxima potência
em [V], βVmp é o coeficiente de temperatura da tensão de máxima potência
em [%/ºC] e Tmax é a máxima temperatura da célula em [ºC]. O número
“25”, presente nas Equações 4 e 5, representa a temperatura de referência sob a qual os módulos foram submetidos durante os testes para obter seus parâmetros elétricos nominais.
Além da irradiância e da temperatura, o sombreamento também impacta na curva I-V do módulo, conforme Figura 29. Como, em um módulo fotovoltaico, as células estão conectadas em série, caso uma célula receba menos irradiação, sua corrente irá diminuir e limitará a corrente de todo o conjunto série. Para reduzir as consequências desse efeito causado pelo sombreamento, emprega-se diodos de by-pass nos módulos. Estes diodos são instalados em antiparalelo com um conjunto de células e oferece um caminho alternativo para a passagem de corrente quando ocorre o sombreamento de alguma célula, evitando, assim, que uma célula sombreada limite a corrente de todo o módulo.
Figura 29. Comparação de curvas I-V de 4 módulos em série.
Fonte: Pinho; Galdino (2014).
Como a tensão de saída varia com a temperatura e a corrente de saída varia com a irradiância solar, para se otimizar a utilização de potência do módulo pode-se empregar um dispositivo de rastreamento do ponto de máxima potência (Maximum Power Point Tracker – MPPT). Com esse dispositivo, desloca-se o ponto de operação do módulo de modo
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a mantê-lo sempre no ponto de máxima potência, aproveitando o máximo de potência que o módulo tem a oferecer.
Por fim, para se elevar os níveis de tensão e corrente, associa-se os módulos em série e paralelo, respectivamente. A associação em série é feita para elevar a tensão de saída de um conjunto de módulos. A associação em paralelo é feita para elevar a corrente de saída de um conjunto. Quando se deseja elevar a tensão e a corrente de um conjunto de módulos, realiza-se uma associação mista série/paralelo. Uma associação de módulos em série e/ou paralelo é comumente chamada de arranjo fotovoltaico. Os efeitos da associação em série e/ou paralelo é visualizado na Figura 30.
Figura 30. Exemplos de associações de módulos fotovoltaicos e suas respectivas curvas I-V.
Fonte: Zilles et. al (2017). 3.4.3 Inversor fotovoltaico
O inversor é um conversor CC-CA que processa a energia gerada nos módulos fotovoltaicos. Ele é de uso obrigatório nos SFCR e de uso opcional nos sistemas off-grid, dependendo das características da carga. Assim, é através do inversor que ocorre a conversão da energia em corrente continua, gerada nos módulos, para corrente alternada. Para realizar essa conversão, o inversor recebe a potência em corrente contínua e, por meio da comutação de interruptores, através de estratégias de modulação, ele converte essa corrente em corrente alternada, de modo a obter na saída uma onda senoidal com os mesmos parâmetros da onda senoidal da concessionaria de energia, no caso dos SFCR.
Os inversores para os sistemas off-grid, por não impactarem na qualidade de energia da rede pública, possuem menos restrições elétricas quanto a sua saída. Entretanto ressalta-se que nem todos os inversores
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grid são iguais, dessa forma é necessário conhecer o tipo de carga que
será conectada ao inversor para a correta escolha dele. Há inversores
off-grid de onda senoidal modificada que possuem um grande conteúdo de
harmônicas na sua saída, causando um sobreaquecimento em cargas com características indutivas. Entretanto esses inversores funcionam muito bem para cargas com fator de potência unitário e possuem baixo custo. Há também inversores com onda senoidal pura, onde a estratégia de modulação, controle e filtragem são mais rigorosas, de forma a se obter uma senóide com baixo conteúdo de harmônicas, sendo esses indicados para cargas mais sensíveis às harmônicas. Além disso, como nos sistemas
off-grid, a carga instalada será alimentada exclusivamente por esse tipo
de inversor, ele deve ser dimensionado para suportar a potência de toda a carga instalada, inclusive seus picos de potência.
Já os inversores grid-tie, conectados à rede, possuem uma série de normas e requisitos que devem seguir para ser homologados pelo INMETRO, afinal a energia processada por eles será injetada diretamente na rede da concessionária, logo possui efeito direto na qualidade da energia da rede. Portanto, os principais requisitos para os inversores fotovoltaicos conectados à rede são: alto rendimento, anti-ilhamento, qualidade da energia gerada, compatibilidade com o arranjo fotovoltaico,
maximum power point tracker e proteções contra sobrecorrente,
sobretemperatura e correntes de fuga. 3.4.4 Controlador de carga
O controlador de carga é um dispositivo utilizado em sistemas fotovoltaicos autônomos a fim de proteger a bateria de danos irreversíveis causados por cargas e descargas excessivas, o que também auxilia no prolongamento da vida útil das baterias (PINHO; GALDINO, 2014). O controlador de carga deve ser específico para cada tipo de bateria devido ao perfil de carga de cada tipo. As baterias são elementos de alto custo e sensíveis à sobretensão, sobrecorrente, subtensão e sobretemperatura, portanto, a menos que o banco de baterias possua uma eletrônica própria para monitorar esses parâmetros, o uso de um controlador de carga é imprescindível para preservar o banco de baterias.
Existe mais de um tipo de controlador de carga e eles diferem entre si pela estratégia de controle utilizada, método de desconexão do arranjo fotovoltaico e parâmetro elétrico utilizado para o controle. O controlador mais comum e de menor custo é do tipo ON/OFF série ou paralelo, mostrados nas Figura 31 e Figura 32, respectivamente. No controlador
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série, quando a tensão da bateria está abaixo da máxima, a chave S1 é fechada e o arranjo fotovoltaico fornece energia para recarregar a bateria. Figura 31. Controlador de carga do tipo ON-OFF série
Fonte: Blue-sol (2016).
Figura 32. Controlador de carga do tipo ON-OFF paralelo.
Fonte: Blue-sol (2016).
Quando a tensão da bateria atinge a tensão máxima, o controlador abre a chave S1 e não há mais transferência de energia entre o arranjo fotovoltaico e a bateria. A chave S2, tanto para o controlador série como para o paralelo garante que a bateria não seja descarregada excessivamente, porém nem todos os controladores possuem essa função. Assim, quando a tensão da bateria atinge o nível mínimo, a chave S2 abre e cessa a descarga da bateria na carga. O controlador paralelo possui um funcionamento muito semelhante ao controlador série, apenas alterando a posição da chave S1. Nesse caso, quando a bateria atinge a tensão máxima a chave S1 é fechada, fazendo com que a corrente de geração circule apenas pelo módulo fotovoltaico. E, quando a bateria está abaixo da tensão máxima, a chave S1 permanece aberta, fazendo com que a corrente de geração carregue a bateria. Além disso esses controladores podem adotar uma estratégia de modulação para a comutação do interruptor de modo a se obter o perfil de carregamento mais indicado para a bateria em uso. Contudo, isso acrescenta custos ao projeto, como é o caso de controladores com Pulse Width Modulation – PWM e Constant Current
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– Constant Voltage – CC-CV. Salienta-se que nos controladores
ON-OFF, devido a topologia do circuito, o módulo fotovoltaico opera na tensão da bateria.
Além do controlador série e paralelo, existe também os controladores com MPPT, conforme Figura 33. A entrada desse tipo de controlador utiliza um conversor corrente contínua – corrente contínua – CC-CC com um algoritmo de rastreamento do ponto de máxima potência dos módulos. Como não há uma conexão direta das baterias com o módulo fotovoltaico, é o algoritmo de MPPT quem impõe a tensão de operação do módulo, fazendo com que ele atue no ponto de máxima potência. Este tipo de controlador é o que melhor utiliza a energia que um módulo pode gerar, entretanto é o que apresenta o maior custo.
Figura 33. Controlador de carga MPPT.
Fonte: Blue-sol (2016). 3.4.5 Bateria
A bateria é um componente presente nos sistemas híbridos e autônomos e são elas as responsáveis por armazenar o excedente de energia para ser utilizado em momentos em que a geração fotovoltaica não é o suficiente para suprir a carga. O tipo de bateria mais utilizada nos sistemas fotovoltaicos autônomos é a de chumbo ácido devido ao seu menor custo. Esse tipo de bateria apresenta uma baixa densidade de energia em relação as baterias de lítio. Como optou-se em utilizar baterias de lítio-íon, esse tipo será o foco do estudo dessa seção.
As baterias de lítio-íon apresentam algumas vantagens, em relação às baterias de chumbo ácido, expostas abaixo:
• Menor tempo de carregamento; • Algoritmo de carregamento simples; • Alta densidade de energia e de potência; • Maior ciclo de vida;
• Livre de manutenção, se utilizar um BMS; • Baixa resistência interna;
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• Baixa taxa de auto-descarga.
Em meio a tantas vantagens, a sua principal desvantagem continua sendo seu custo elevado. Entretanto para aplicações onde a confiabilidade do sistema deve ser alta, as baterias de lítio-íon são excelentes candidatas. Segundo artigos publicados pela Battery University (2016 e 2017), o desempenho de uma bateria é mensurado por sua capacidade e o jeito mais comum de estimar a vida útil de uma bateria é através de ciclos. Entretanto esse método não é conclusivo, pois o que constitui um ciclo não é bem definido e cada processo de carga e descarga pode ser parcial e não completo. Os fatores que mais influenciam na vida útil da bateria são: profundidade de descarga (Depth of Discharge – DoD), temperatura, corrente de descarga e máxima tensão de carga. Submeter a bateria a grandes profundidades de descarga, altas temperaturas, correntes de descarga elevadas e ultrapassar o limite de tensão no carregamento da bateria geram estresse e, consequentemente, diminuem a vida útil da bateria. As baterias de lítio-íon não possuem efeito memória, dessa forma, cargas e descargas parciais não as prejudicam e até prolongam a sua vida útil. As Tabela 2 e Tabela 3 mostram uma estimativa da contagem de ciclos disponíveis em uma bateria de lítio-íon para determinados DoDs e tensão de carregamento. Além disso, a capacidade de energia da bateria também diminui com o número de ciclos, conforme Figura 34 e Figura 35. Não obstante, a capacidade nominal de energia de uma bateria varia com a taxa de descarga, de tal modo que quando a taxa de descarga for pequena em relação à capacidade, ocorre uma elevação na capacidade de energia da bateria, conforme Figura 36. Ainda em relação a figura 36, observa-se que a capacidade nominal da bateria em estudo é 3,2 Ah e o final da descarga se dará quando a tensão alcançar 3 V. Para esse tensão de corte de 3 V, ela possui uma capacidade de 2,3 Ah se descarregá-la com 2C (6,4 A), de 2,9 Ah para descarga de 1C (3,2 A) e de 3,3 Ah se descarregá-la com 0,2C (0,64 A).
Tabela 2. Ciclo de vida em função da profundidade de descarga. DoD Ciclos de descarga disponíveis
10% De 10.000 a 15.000 20% De 3.000 a 9.000 40% De 1.500 a 3.000 60% De 600 a 1.500 80% De 400 a 900 100% De 300 a 600
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Tabela 3. Ciclo de vida e energia disponível em função da tensão de carregamento.
Tensão final
de carga Ciclos de descarga disponíveis Energia armazenada disponível
4,30 V 150-250 110-115% 4,25 V 200-350 105-110% 4,20 V 300-500 100% 4,15 V 400-700 90-95% 4,10 V 600-1.000 85-90% 4,05 V 850-1.500 80-85% 4,00 V 1.200-2.000 70-75% 3,90 V 2.400-4.000 60-65%
Fonte: Adaptado de Battery University (2017).
Figura 34. Capacidade de uma bateria de lítio-íon em função do número de ciclos e tensão final de carregamento.
Fonte: Battery University (2017).
Figura 35. Capacidade de uma bateria de lítio-íon em função do número de ciclos e diferentes estados de carga.
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Figura 36. Capacidade de energia disponível de acordo com a taxa de descarga.
Fonte: Battery University (2016).
Como a bateria possui uma resistência interna, ela não possui uma eficiência de 100% durante a recarga e descarga. Quanto maior a taxa de corrente do carregamento e do descarregamento, menor será a eficiência desses processos, podendo variar de 80% a 99%, dependendo da taxa C utilizada (DULOUT, JAMES, ALONSO, 2017). A Figura 37(a) mostra a eficiência de carga para diferentes taxas de corrente de carregamento e, a Figura 37(b) mostra, em azul, a eficiência de descarga e, em verde, a eficiência de carga-descarga para diferentes taxas de corrente em uma bateria de lítio-íon.
Figura 37. Eficiência de carga e descarga para uma bateria de lítio-íon.
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Existem 5 principais tipos de baterias de lítio que são brevemente descritas através de suas principais características e da demonstração do gráfico aranha hexagonal de cada tipo, que analisa os seis principais quesitos de uma bateria.
3.4.5.1 Óxido de lítio cobalto (LiCoO2)
Tipo de bateria de grande popularidade em dispositivos eletrônicos devido a sua alta densidade de energia (BATTERY UNIVERSITY, 2017). Esse tipo de bateria não deve ser carregado e descarregado com uma corrente superior à sua taxa de carga, ou seja, uma bateria de 3 Ah deve ser carregada e descarregada com no máximo 3 A. A Figura 38 resume as suas principais características e a Tabela 4 resume seus principais parâmetros. Este tipo de célula de bateria foi a opção utilizado no sistema fotovoltaico autônomo dimensionado.
Figura 38. Gráfico aranha hexagonal da bateria LiCoO2.
Fonte: Battery University (2015).
Tabela 4. Principais parâmetros da bateria LiCoO2.
Tensão nominal 3,7 V
Faixa de operação 3,0 V – 4,2 V Energia específica típica 200 Wh/kg Ciclo de vida Até 1000 ciclos
Taxa de carga 0,7 – 1C
Taxa de descarga 1C Fonte: Battery University (2015).
3.4.5.2 Óxido de lítio magnésio (LiMn2O4)
Sua principal característica é a baixa resistência interna, possibilitando carregamento rápido, altas correntes de descarga e
